燃料电池的类型,结构和工作原理

燃料电池的类型，结构和工作原理

美国矿物能源部长助理克•西格尔说：燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.

默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。

燃料电池（FuelCell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能储电”而是一个发电厂”

1 .磷酸燃料电池（PAFC ）

磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池

使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换

膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200 C左右，但仍需电极上的白金

催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1-2%的一氧化碳和百万

分之几的硫时，磷酸燃料电池照样可以工作。

磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电

池长。虽然磷酸燃料电池具有上述缺点，它们也拥有许多优点，例如构造简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池是乎将来也不会用于私人车辆。

2.溶化的碳酸盐燃料电池（MCFC）

溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650 C时，这种盐就会溶化，产

生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。

阳极反应：CO32- + H2 T H2O + CO2 + 2e

阴极反应：CO2 + 1/2 02 + 2e- 宀CO32 -

这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构

内生成氢。在这样高的温度下，尽管硫仍然是一个问题，而一氧化碳污染却不是问题

了，且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂

利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。如果其浪费的热量能够加以利用，其潜在

的效率可高达80%。

HYDROGEN AND CO CONTAINING FUCL

3•

固态氧化物燃料电池（SOFC ）

固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，它们使用诸如 用氧化钇稳定的氧化锆等固态 陶瓷电解质，而不用使用液体电解质。在这种燃料电池中, 当氧阳向离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）使便产生 能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。

阳极反应：H2 + 02- T H2O + 2e - CO + 02- 宀 CO2 + 2e -

阴极反应：O2 + 4 e- T 2 O2 -

对于溶化的碳酸盐燃料电池而言，高温意即这种电池能抵御一氧化碳的污染，正如上 式显示的那样，一氧化碳会随时氧化成二氧化碳。这便省却了外部重整从燃料中提取氢， 而且这种电池还可以再直接使用石油或天然气。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池 都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐 燃料电池更稳定，然而它们用来承受所产生的高温的建造材料却要昂贵得多。

固态氧化物燃料电池的效率约为

60%左右，可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车

AMODE CATALYST

iba

CATHOOC '/iOj * COi +

2e

ELECTROLYTE

CO? + AIT

辆提供备用动力的潜力。

4.质子交换膜燃料电池（PEMFC ）

质子交换膜燃料电池有时也叫聚合物电解质膜，或固态聚合物电解质膜，或聚合物电解质膜燃料电池。

下图显示了质子交换膜燃料电池的基本设计。

在质子交换膜燃料电池中，电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸

（poly[perfluorosulpho nic]acid ），和质子能够渗透但不导电的Nafio nTM，而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极，裂解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗

透到阴极，而电子通过外部网路流动，提供电力。以空气形式存在的氧供应到阴极，与电

子和氢离子结合形成水。在电极上的这些反应如下：

阳极：2H2 T 4H+ + 4e - 阴极：02 + 4H+ + 4e- 宀2 H20

整体：2H2 + O2 T 2 H2O + 能量

质子交换膜燃料电池的工作温度约为80 C。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓

慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。

质子交换膜燃料电池拥有许多特点，因此成为汽车和家庭应用的理想能源，它可代替

充电电池。它能在较低的温度下工作，因此能在严寒条件下迅速启动。其电力密度较高，因此其体积相对较小。此外，这种电池的工作效率很高，能获得40-50%的最高理论电

压，而且能快速地根据用电的需求而改变其输出。

当然，要想使该技术得到广泛应用，仍然还有一系列的问题尚待解决。其中最主要的问题是制造成本，因为膜材料和催化剂均十分昂贵。另一个大问题是这种电池需要纯净的氢方能工作，因为它们极易受